大跨度体育馆桁架的设计
大跨度体育馆桁架的设计【1】
摘 要：在当今的钢结构建筑屋盖体系中，钢结构桁架的结构支撑体系成为众多大跨度体院馆设计建造的主要形式。
大跨度体育馆有着得天独厚的优势，其不但桁架结构线条流畅、安全实用、外形丰富，而且在人员数量容纳和采光、通风等方面作用显著，因此本文旨在通过对这种设计结构进行简要的分析，以达到进一步认 关键词：大跨度体育馆;钢桁架;结构设计;内力;杆件;抗震性能
钢结构自身的重量小、强度高，可塑性和柔韧性都较强的特点，使其成为公认的具有良好性能的结构，而且以桁架为代表的钢结构被广泛应用到空间结构体系中，尤其是跨度较大，标高较高的大型场馆，空间钢结构管桁架设计作为其屋盖结构发挥着很多的优点。
1 管桁架结构的分类
大量的建筑工程实践证明：大跨度桁架结构的运用一方面满足了建筑的基本原则和要求，另一方面也与最新的设计理念相吻合。
伴随着建筑业的不断深化与发展，出现了许多类似跨度大、空间形状相对复杂多变的钢结构的建筑，而且在形式方面也日渐新颖。
桁架根据杆件布置的不同以及受力方式的差异，一般分为平面和空间两种结构形式。
平面桁架是指上、下弦以及腹杆全部处于同一平面，而空间桁架结构的上、下弦同腹杆通常处在一个三角形截面上。
一般说来，前者的外部刚度较差，而后者的结构跨度大、稳定性高，外观通常也比较富有美感，因此被采用的较多。
另外，对于管桁架的连接件杆件截面的种类，一般常用的为圆形、正方以及长方形，选择不同图形的截面相应的桁架类型也有所不同。
2 大跨度桁架结构的受力分析及结构设计
大跨度桁架结构的受力分析及计算是钢结构屋盖体系中的重点和难点，因此无论是受力分析还是结构设计，都需要借助专业计算软件的力量来达到事半功倍的效果。
2.1 计算软件的选择
大跨度桁架结构的设计一般使用同济大学的3D3S软件，同时还采用有限元软件Sap2000进行校核。
3D3S可方便输入单元、节点、局部单元荷载，各种工况荷载都可以通过导荷载的方式由面荷载转化为节点荷载，风荷载可自动考虑风压高度变化系数、风振系数;可套用多种规范进行验算，特有同一模型中对不同的单元采用不同的控制参数功能;可方便输出模型以及每一单元在各工况、组合下的内力、位移、应力比图，因此，工程中最常使用计算软件为3D3S。
同时，采用Sap2000对结构整体分析，可得到杆件最不利内力及结构最大变形。
2.2 受力分析
在大跨度体育馆桁架结构的设计中，传统的开口截面(如H型钢和I字钢)应用的很多，但相比较来讲，尤以管状的桁架更为常见，因此本论文在讲述桁架结构的受力特点和计算规则时，主要是以管状的桁架为例。
管桁架，是指用圆杆件在端部相互连接而组成的格构式结构。
通过建模分析以及荷载的组合分配，理论上将大跨度体育馆桁架的荷载分为永久荷载与可变活荷载两类。
前者主要指承重结构的自重(包括杆件及节点的自重)、屋面板及檩条的自重、马道、吊挂灯具及其他设备的自重，一般按从属面积折算荷载值;后者主要是一些不确定的载荷，如风荷载、雪荷载、上人屋面的荷载，甚至是地震荷载等作用在屋盖上的“可动力”。
管桁架结构的计算要满足基本的规定：管桁架结构应进行重力荷载及风荷载作用下的内力、位移计算以及整体的稳定性验算，并应根据实际情况，对地震、温差变化、支座沉降及施工安装荷载等作用下产生的位移与内力进行计算。
其中，内力和位移可按弹性理论，采用空间杆系的有限元方法进行计算。
外荷载可按静力等效原则将节点所辖区域内的荷载集中作用在该节点上。
结构分析时，应考虑上部空间网格结构于下部支承结构的相互影响;另外应根据结构形式、支座节点的位置、数量和构造情况以及支承结构的刚度，确定合理的边界约束条件。
当然，受力分析的重点是桁架的节点处。
统筹的讲，桁架的相贯节点有K型、T型、马鞍加强型(具体如图1所示)，也需要对节点的受力形式及连接形式进行计算。
2.3 结构设计优化
追求永无止境，成功的设计是在保证安全、设计质量、规范要求等的前提下，尽可能地采用3D3S等结构设计软件对杆件、节点进行对比分析，改善结构布局，运用新工艺、新材料、新技术、新设备来不断地优化整个结构，以期达到经济性和实用性的推广作用。
3 大跨度桁架结构的强度和稳定性设计
3.1 抗风荷载作用的构造设计
对于大跨度的轻型屋盖来讲，风荷载的作用是影响结构稳定的重要因素。
大跨度体育馆都要求内部空间的宽广，而这势必就造成屋盖在风的吸力作用下被掀起，因此大跨度桁架结构的设计要充分考虑整个结构的抗风系数和抗风能力。
大跨度结构受力复杂，质量较轻、阻尼较小，处于湍流度高的低矮大气边界层中，导致负压作用明显，如屋面转角、边缘和屋脊等部位。
另外，这些部位的压力波动往往较大，甚至有可能产生交变力的作用，因此这些部位容易成为大跨度屋盖结构在强风破坏中首当其冲，对风灾后大跨度屋盖房屋破坏情况的实地调查资料也充分证实了这一点。
对于大跨度屋盖结构的抗风问题，除了应对结构进行合理的抗风荷载设计以保证结构主体的强度以外，还需要针对桁架结构的薄弱部位和薄弱环节采取有效的抗风结构构造设计，用来加强结构各构件之间的整体性。
一般来讲，体育馆中大跨度桁架结构的抗风构造设计从下列三个方面考虑：①加强屋盖系统自身的连接和整体性;②加强屋盖系统与其承重墙(柱)体的连接;③加强桁架各个节点的连接形式。
3.2 桁架的抗震性能设计
地震是地壳运动时地表产生的一系列纵向和横向颤动。
根据规范，凡属剧场、体育馆等大跨度公共建筑，其抗震措施按设防烈度均应选用8度设防，而且多采用时程分析进行补充计算。
采用时程分析法时，应按建筑场地类别和设计地震分组选用不少于两组的实际强震记录和一组人工模拟的加速度时程曲线，其平均地震影响系数曲线应与振形分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符。
当采用振形分解反应谱法进行体育馆大跨度桁架结构的地震作用分析时，要取前30个振形，而且对体形特别复杂或重要的需要取更多振形进行效应组合。
在抗震分析时，应考虑支承体系对其受力的影响，此时可将桁架结构与支承体系同时考虑，按整体分析模型进行计算，其中的地震作用效应分析的阻尼比可以根据不同的情况参照下表。
参考文献
[1]戚豹，康文梅.《管桁架结构设计与施工》.中国建筑工业出版社，2012.
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[5]张毅刚，杨庆山.大跨空间结构.北京：机械工业出版社，2005，1.
体育馆大跨度钢结构屋盖的结构设计【2】
【摘 要】进入二十一世纪以来，在经济持续不断发展的过程中，建筑行业也进入到了一个蓬勃发展的时期，期间涌现出了各种不同的新兴建筑结构和新型工程设备，这类新兴技术和新型设备的应用，对于现代建筑工程结构性能的提升带来了巨大的便利。
如大跨度钢结构结构，该结构形式为大空间建筑结构的修建提供了更好的技术支持，本篇文章主要对某体育馆的大跨度钢结构屋盖设计进行了全面详细的阐述，从而对其中的关键环节进行了全面的'计算，以期为其他大跨度钢结构建筑修建提供参考。
【关键词】钢管桁架;立体桁架;相贯节点
大跨度钢结构是建筑行业不断发展过程中出现的一种极为优秀的建筑结构形式，该建筑结构形式自身所具有的结构性能能够为开阔性空间提供极为良好的结构支撑，避免结构出现各种不同的质量问题。
在大跨度钢结构实际施工的过程中，最为重要的便是对大跨度转换立体桁架计算、拱型倒三角形钢管桁架计算、构造处理、节点设计等几个方面。
下文主要针对体育馆大跨度钢结构屋盖结构设计进行了全面详细的阐述。
0.工程概况
某体育馆建筑平面呈八角形，由65.4m×67.2m 矩形切角而成，地上三层，一层地下室。
地下室用作羽毛球馆、乒乓球室、健身房等体育训练用房及设备间。
一层局部为门厅及休息室，其余均不设楼板，以形成地下室大空间训练用房。
二层是由篮球赛场、看台、舞台等组成大空间运动馆，看台下夹层为办公室、会议室及休息室等。
三层和局部四层为休息室、灯光音响控制室及机房。
室内座位为3000 座。
屋盖结构横向由不等高三跨组成，中间主跨跨度33.6m，为一拱形倒三角形钢管桁架，凸出屋顶4.5m;两侧低跨为跨度15.9m 的斜屋面，坡度5%，采用网架结构;屋盖周边纵向柱距8.4m。
屋盖内无柱支承，在轴设一转换立体桁架，其上弦作为钢管桁架支座，下弦为网架屋面支座，立体桁架在轴间跨度为42.0m。
立体桁架的支座为轴柱顶钢牛腿。
主跨拱形钢管桁架支座为轴框架柱及轴42.0m 大跨度转换立体桁架。
拱形桁架拱顶标高23.65m，支座标高19.10m;两侧低跨网架结构支座为周边框架柱及轴42.0m 大跨度立体桁架，檐口标高15.30m。
1.大跨度钢结构屋盖结构设计
1.1荷载取值
钢结构屋盖上弦均布恒荷载标准值取0.35kN/㎡，局部装饰吊顶取0.3kN/㎡;活荷载取0.5kN/㎡;屋盖下弦均布恒荷载标准值取0.3kN/㎡，悬挂维修马道恒荷载1.5kN/㎡，活荷载取1.0kN/㎡。
基本风压W0为0.35kN/㎡，地面粗糙度类别B 类。
基本雪压S0为0.5kN/㎡。
由于中间主跨为33.6m 的拱形倒三角形钢管桁架，温度作用对结构的影响很大，考虑本地区季节性温差，取△T=±25°C(结构施工安装时的温度与使用过程中温度的最大差值)。
抗震设防烈度为6 度。
对拱形三角形钢管桁架和立体桁架计算时按规范考虑各种工况及工况组合。
1.2结构分析
在对建筑实自身的结构体系进行分析的过程中，应当使用SATWE来进行整体分析。
而其屋盖结构在进行分析的过程则应当使用有限元分析软件SAP2000来对其进行深入的分析。
并且在实际分析的过程中，务必要保证立体桁架、单榀钢管拱桁架、屋盖钢结构、组合工况这几个方面的信息进行全面详细的分析，最大限度的避免数据出现失误对于分心结果所带来的影响。
而在对桁架之上不同部位的弦杆件进行选择的过程中，应当使用梁单元来计算，而其屋面支撑体系以及腹杆这两个部位则可以直接指定成为杆单元。
1.3三角形钢管桁架设计
拱形三角形钢管桁架的杆件采用Q345B 无缝钢管，跨中高2.7m，支座高1.35m。
上弦杆支座处三节间为ф180×10，其余为ф180×6;下弦杆支座处三节间为ф180×10，外挑部分为ф121×4，其余为ф168×6;上弦水平腹杆及斜腹杆为ф68×4，上下弦斜腹杆为ф89×4。
钢管桁架制作时构造起拱15mm。
1.4大跨度立体桁架设计
转换立体桁架作为屋盖系统支撑，承受屋盖拱桁架支座的竖向力及水平推力，是整个屋盖设计的重点。
该桁架轴间跨度为42.0m，竖向荷载及水平推力均较大，采用平面桁架难以胜任，故采用空间立体桁架。
立体桁架是由两榀平面桁架组成的矩形空间桁架，截面高4.5m，宽2.2m。
杆件采用空心方钢管，上弦杆断面为500×300×16，支座处断面为500×300×20，下弦杆断面为300×300×12。
上弦腹杆断面为250×250×12和160×160×5，其余腹杆断面为160×160×5和100×100×4。
为加强立体桁架的刚度，在立体桁架的每个集中力作用点处设置交叉支撑。
立体桁架具有很大的抗弯抗扭能力，对传递屋面水平力和增加屋面的整体刚度十分有利。
立体桁架设计时，为确保安全，假定拱桁架水平推力主要由立体桁架上弦和水平腹杆组成的水平桁架抵抗。
立体桁架是按变形控制进行设计，跨中水平位移控制在15mm 内，竖向位移控制在30mm 内，以满足作为屋盖系统支撑要求及保证立体桁架侧面玻璃幕墙安装。
1.5节点设计
三角形钢管桁架、立体桁架这两个不同部分在整个大跨度建筑结构中，都属于钢管相贯空间体系结构，在进行焊接过程过程中，则应当使用腹杆以及弦杆这两个不同部分汇交相贯。
而在对极为重要的部分进行焊接的过程中，就应当对不外露的管内加上相应的劲板，最大限度的提高节点承载力，避免相贯线部位所存在的压力过大。
而其整体结构中的桁架支座应当使用具有板式橡胶垫的支座来支撑，通过这一结构形式的支撑，能够极大的提升支座转动所需要达到的相应要求，其实际参数不仅完全和假定数值想结合，还能够对于支座的相关节点进行适应，适应的范围包括了地震作用、温度应力过程中所出现的不同程度水平变位。
而整个过结构体系对于结构支撑状态来说，有着极大的益处，能够极大的提升建筑结构寿命。
在对大跨度的立体桁架、拱型三角形钢管桁架进行焊接的过程中，对其焊缝有着较高的要求：
(1)其中的矩形钢管主材在进行拼接的过程中，务必要使用全熔透坡口来进行等强度对焊，而圆钢管在进行拼接的过程中也同样需要使用全熔透的方式来对接焊缝，在焊接的过程中还需要加上相应的衬管，并且其焊缝的质量等级要保证达到一级的水准。
(2)桁架中的上下弦在工地上进行拼装的过程中，应当使用全熔透坡口来进行焊缝对接，其焊缝所具有的质量应当达到二级。
(3)各个不同部位但是存在相贯的节点，也同样需要保证焊缝的质量达到二级。
(4)支座、钢管这几个不同部分在进行全熔透焊缝对接的过程中，焊缝质量等级为一级。
2.结束语
综上所述，本篇文章主要针对体育馆自身的大跨度屋盖钢结构形式进行了全面详细的计算分析，并且在这一过程中还对共性三角形钢管桁架、单榀转换大跨度桁架、三角形钢管桁架这三者之间所具有的相关协同性进行了全面计算。
并且根据计算结果，得出了以下建议：在实际施工的过程中，务必要对立体桁架的转换过程进行实全面检测，保证施工过程中各个不同杆件的应力值在一个良好的范围之内，以便于其立体桁架拥有更好的结构性能。
【参考文献】
[1]钢结构设计规范(GB50017-2003).北京：中国建筑工业出版社，2003.
[2]陈以一，陈扬骥.钢管结构相贯节点的研究现状.建筑结构，2002，(7)：52-55.
[3]张毅刚，薛素铎，杨庆山，范峰编著，沈世钊主审.大跨空间结构.北京：机械工业出版社，2005.
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